배터리 속 '셔틀 효과' 잡고 2,000번 충전도 거뜬

- POSTECH, 코발트·철 공동 도핑으로 촉매 전자구조 정밀 제어 반응 속도·수명 동시 향상

전기차 주행거리를 늘릴 차세대 배터리로 주목받는 리튬-황 전지는 충전과 방전을 반복할수록 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 꼽힌다.

국내 연구진이 배터리 촉매의 '전자 구조'를 정교하게 조절해 반응 속도를 높이는 동시에 수명 저하를 억제하는 기술을 개발했다.

POSTECH(포항공과대학교)은 화학공학과·친환경소재대학원 배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀이 리튬-황 전지의 성능과 수명을 동시에 향상할 수 있는 촉매 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.

리튬-황 전지는 상용 리튬이온전지보다 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 대용량 에너지저장장치(ESS)용 차세대 배터리로 주목받고 있다.

하지만 충·방전 과정에서 생성되는 중간물질인 '리튬 폴리설파이드'가 전해액을 통해 양극과 음극 사이를 이동하는 이른바 '셔틀 효과(Shuttle Effect)'가 문제로 지적돼 왔다. 정해진 노선을 오가야 할 셔틀버스가 경로를 벗어나 움직이는 것과 비슷한 현상이다. 이 과정에서 전기 생산에 사용돼야 할 활성 물질이 손실돼 배터리 용량과 수명이 빠르게 감소한다. 황 자체의 낮은 전기전도도로 인해 반응 속도가 느리다는 점도 상용화를 가로막는 요인이다.

연구팀은 촉매의 '전자 구조'에 주목했다. 기존 이황화몰리브덴($MoS_2$) 촉매의 몰리브덴 일부를 코발트(Co)와 철(Fe)로 동시에 치환하는 '공동 도핑' 방식을 적용했다. 두 금속을 함께 도핑하자 촉매 내부의 전자 분포가 재배열되면서 리튬 폴리설파이드와 촉매 사이의 결합력이 최적화됐다.

결합력이 지나치게 강하면 반응 속도가 느려지고, 반대로 너무 약하면 리튬 폴리설파이드의 이동을 억제하기 어렵다. 연구팀은 촉매의 전자 구조를 조절해 이 두 조건 사이의 균형점을 찾아냈다. 이를 통해 황의 반응 속도를 높이고 전자와 리튬 이온의 이동을 원활하게 만들어 배터리 효율과 수명을 동시에 향상했다.

실험 결과 연구팀이 개발한 촉매를 적용한 리튬-황 전지는 고속 충·방전 조건인 10C에서 2000회 충·방전을 반복한 뒤에도 사이클당 용량 감소율이 0.024%에 그쳤다. 특히 높은 황 함량과 적은 전해액 등 실제 배터리에 가까운 조건에서도 우수한 성능을 유지해 상용화 가능성을 확인했다.

전기차 배터리 시장에서 에너지 밀도를 높여 주행거리를 늘리는 것과 함께 장기간 성능을 유지하는 기술 경쟁이 치열해지는 가운데, 이번 연구는 리튬-황 전지의 고질적인 수명 저하 문제를 촉매 설계 단계에서 해결할 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

김원배 교수는 "촉매의 전자 구조를 원자 수준에서 정밀하게 설계하면 배터리 충·방전 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있다는 것을 증명했다"며 "고성능 리튬-황 전지를 위한 새로운 촉매 설계 기준을 제시한 만큼 차세대 에너지저장장치의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터와 중견연구사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다.